Server heizen Bürogebäude
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Projektinfo 06/2017 Energieforschung konkret Server heizen Bürogebäude Eine Wärmepumpe kühlt das hauseigene Rechenzentrum und liefert so gleichzeitig die Heizwärme des Neubaus An den Erweiterungsbau seiner Zentrale stellte der Bau­konzern Züblin hohe Ansprüche: baulich, energetisch und in Bezug auf die Nachhaltigkeit. Im Betrieb wird der errechnete Energiebedarf für Heizung und Kühlung unterschritten. Das im Haus befindliche Hochleistungs­ rechenzentrum liefert ausreichend Wärme für die Beheizung. Der gute thermische Komfort führt zu einer hohen Zufrieden­heit bei den Nutzern. Den Großteil der Energie – deutlich mehr als geplant – benötigt das Kunstlicht. Dieses Forschungsprojekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Das höchste Zertifikat der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) zu erreichen, war von vornherein ein zentrales Anliegen der Ed. Züblin AG an ihren Neubau Z3 in Stuttgart. Das Gebäude sollte ein hochwertiges Arbeitsumfeld für etwa 250 Mitarbeiter schaffen und möglichst energieeffizient und innovativ ausgestattet werden. Damit dient es einerseits als Aushängeschild und andererseits als Prototyp. Denn das Unternehmen entwickelt und realisiert viele solcher Großprojekte im In- und Ausland. Die Erfahrungen aus dem Forschungsvorhaben lassen sich also in Beratung und Planung nutzen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanzierte ein wissenschaftliches Monitoring mit der dafür notwendigen zusätzlichen Messtechnik, fundierte Nutzerbefragungen sowie anteilig verschiedene innovative Komponenten. Ein Architektenwettbewerb sicherte die gestalterische Qualität und die städtebauliche Anbindung an die beiden bestehenden Firmengebäude. Realisiert wurde der fünfgeschossige Stahlbeton-Skelettbau innerhalb von 15 Monaten. Die Arbeitsplätze sind entlang der Fassaden des kompakten Grundrisses angeordnet. Glaswände trennen die Büroräume vom Flur, damit die tiefer im Gebäude liegenden Bereiche auch Tageslicht erhalten. Die Außenwände bestehen aus im Werk vorgefertigten Elementen in Holzrahmenbauweise, die inklusive Fenster, Sonnenschutz hybrider Rückkühler 4. OG 1./2./3. OG Kapillarrohrdecke Heizen + Kühlen Stromnetz Heizen + Kühlen EG Zwei Kältemaschinen für das Rechenzentrum Das Rechenzentrum hat einen Kältebedarf von etwa 200 MWh. Bei niedrigen Außentemperaturen lässt sich dafür überwiegend die Freikühlung nutzen, bei höheren Außentemperaturen übernehmen die Kühlung vermehrt die beiden Kältemaschinen. Ein Aggregat ist auf Wärmepumpenbetrieb ausgelegt, das andere auf Kältebetrieb. In den Wintermonaten deckt die Wärmepumpe den Kältebedarf des Rechenzentrums und heizt gleichzeitig das Gebäude; dann ist der Betrieb am effizientesten. In den Sommermonaten arbeiten beide Kältemaschinen im Verbund. Der Wärmebedarf des Gebäudes ist aufgrund der hochwertig gedämmten Gebäudehülle gering und lässt sich aus der Abwärme des Rechenzentrums nahezu vollständig decken. Als Backup für die Wärmeversorgung dient das Blockheizkraftwerk des Nachbargebäudes, auf das ansonsten hauptsächlich für die Trinkwassererwärmung zurückgegriffen wird. Sowohl die Beheizung als auch die aktive Kühlung der Büroräume erfolgen primär über auf die Decken eingeputzte Kapillarrohrmatten. Diese reagieren aufgrund ihrer geringen thermischen Speicherkapazität verhältnismäßig flink und sind deshalb in die Einzelraumregelung integriert. Photovoltaik Dach Zuluft Freikühlung Abwärme Rechenzentrum UG Kältemaschine Wärmepumpe/ Kältemaschine Warmwasserbereitung Lüftungsanlage mit WRG und adiabater Abluftkühlung BHKW Nachbargebäude "Züblin-Haus" Abb. 1 Technikkonzept Heizung, Lüftung und Kälte Frischluft und Licht nach Bedarf geregelt Die Lüftung des Gebäudes basiert auf einem Hybridkonzept. Bei Außentemperaturen nahe der Raumtemperatur ist die Lüftungsanlage im Bürobereich abgeschaltet, die Räume sollen dann manuell über die Fenster belüftet werden. Bei höheren Differenzen zwischen Außen- und Raumtemperatur wird der Bürobereich zeitgesteuert maschinell belüftet. Die Lüftungsanlage verfügt über eine hocheffiziente Wärme- und Kälterückgewinnung sowie über die Möglichkeit der adiabaten Abluftbefeuchtung zur passiven Kühlung. Die Räume im Innenbereich und im Untergeschoss sind ausschließlich maschinell belüftet. In Besprechungsräumen steuern das CO2-Sensoren. Ein Erdreichwärmeübertrager sowie die Möglichkeit der freien nächtlichen Kühlung über die Lüftungsanlage erhöhen die Energieeffizienz des Systems. Sonnenschutz, Beleuchtung sowie Raumtemperatur sind präsenzgesteuert und lassen sich per Raumbediengerät individuell einstellen. Detaillierte Informationen zu den betriebstechnischen Parametern seines Raums kann jeder Nutzer über ein Web-Interface einsehen. Es informiert beispielsweise über den aktuellen Betriebszustand der Lüftungsanlage mit entsprechendem Hinweis zur manuellen Fensterlüftung. In den Büroräumen sind ausschließlich Steharbeitsplatzleuchten mit direktem und indirektem Lichtanteil eingesetzt, die das Licht abhängig von Anwesenheit und Umgebungshelligkeit automatisch regeln. Wenn das Büro nicht besetzt ist, schalten Präsenzmelder die Steckdosen, an die die Stehleuchten angeschlossen Abb. 2 Grundriss des 3. Obergeschosses: In der Innenzone (rot) befinden sich das Treppenhaus, die Flure, Besprechungsräume, Kopierräume, EDV-Räume, Teeküchen und WCs. sind, stromlos. Das vermeidet Stand-by-Verbräuche. Die Beleuchtung der Flure und Nebenräume erfolgt ebenfalls präsenzabhängig und helligkeitsgeregelt. Nutzer mit Raumklima zufrieden Zwei Online-Befragungen (im Hochsommer und Winter) durch Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP ergaben eine hohe Zufriedenheit der Nutzer mit dem thermischen Komfort und den Lichtverhältnissen – unabhängig von der Jahreszeit. Die Wirkung der Sonnenschutzautomatik wurde ebenfalls mit der Antwort „eher positiv“ bewertet. Die Frage nach der Nutzerfreundlichkeit der Sonnenschutzautomatik wurde überwiegend mit „weniger zufrieden“ beantwortet. Während die Nutzer mit der Beleuchtungsintensität auf der Arbeitsoberfläche zufrieden waren, beurteilten sie die Beleuchtungsintensität im Büro insgesamt nicht ganz so positiv. Das liegt daran, dass die Stehleuchten die Arbeitsbereiche punktuell beleuchten, während der Rest des Raumes deutlich dunkler ist, was zu einer ungleichmäßigen Beleuchtung führt. Die Funktionsweise und die Verständlichkeit der Gebäudeautomatisierung wurden neutral bewertet. Verbesserungspotenzial sahen die Nutzer bei der Empfindlichkeit der Präsenzmelder für die Einzelraumregelung sowie beim Schallschutz der einfach verglasten Wände und Türen zwischen Bürobereichen und Flur. Letzteres bestätigten auch bauakustische Messungen. Außenluft und Blechverkleidung modulweise auf die Baustelle transportiert und dort montiert wurden. Vor- und zurückspringende Lisenen aus unbehandeltem Lärchenholz gliedern die Fassade vertikal und tragen zur Verschattung bei. Ein außenliegender Lamellenraffstore dient als Sonnenschutz. Mit einem mittleren U-Wert von 0,4 W/m²K inklusive Fenster erfüllt die Fassade Passivhausanforderungen. Eine Photovoltaik-Anlage auf dem Gründach verbessert die Energiebilanz. Fortluft BINE-Projektinfo 06/2017 Abluft 2 20.000 10.000 5.000 0 01 02 03 04 2015 Heizen Endenergie Planungswert Beleuchtung Endenergie Planungswert 05 06 07 08 Kühlen Endenergie Planungswert 09 10 11 12 Lüftung Endenergie Planungswert TWW Endenergie Planungswert Abb. 3 Endenergieverbrauch aus 2015 aufgeteilt nach Verbrauchskategorien und im Vergleich zu den Planungswerten Im Rahmen der Projektförderung entwickelten die Wissenschaftler der HFT Stuttgart die Software EmTool weiter. Damit lassen sich Messdaten unterschiedlicher Quellen, vorzugsweise aus Gebäudeleittechnik und mobiler Messtechnik, zusammenführen und aufbereiten. Dies ermöglicht eine automatisierte Fehlerüberwachung und Plausibilitätsanalyse. Über intelligente Algorithmen können gespeicherte Messwerte schnell aus Datenbanken ausgelesen werden. Dabei werden Daten unterschiedlicher Quellen und unterschiedlicher Speicherorte zeitlich synchronisiert. Die direkte Anbindung an die Datenbanken der Gebäudeleittechnik über eigens entwickelte Schnittstellen erlaubt eine schlanke Datenhaltung. Bisher wird das Programm nur an der Hochschule eingesetzt. Ab Frühjahr 2017 wird es für ein Forschungsvorhaben bei einer Liegenschaft der Firma Bosch weiterentwickelt. 225 200 Im Fokus: die Beleuchtung 175 150 125 100 75 50 25 0 3 Messdaten verschiedener Quellen verknüpfen 15.000 gemessene Beleuchtungsleistung [W] Energie [kWh/a] BINE-Projektinfo 06/2017 6.11.14 0:00 Uhr 12:00 Uhr Leistung-Beleuchtung_M1 7.11.14 0:00 Uhr 12:00 Uhr Leistung-Beleuchtung_M2 Abb. 4 Vergleich des Profils der Beleuchtungsleistung in zwei Musterräumen: In Raum M1 überklebten die Mitarbeiter die Sensorik und Teile der Beleuchtung, um die Dimmwirkung zu manipulieren, da sie mit deren Funktionalität unzufrieden waren. Monitoring offenbart Ausreißer Das Z3 ist sehr umfangreich mit Zählern und Messpunkten ausgestattet. Damit bot es den Wissenschaftlern des Forschungszentrums Nachhaltige Energietechnik der Hochschule für Technik Stuttgart (HFT) sehr gute Voraussetzungen zur detaillierten Analyse des Gebäudebetriebs. Der Endenergieverbrauch für Heizung und Kühlung stimmt weitestgehend mit den ursprünglichen Berechnungen überein. Allerdings verbraucht die Beleuchtung teilweise dreimal so viel wie angenommen und ist damit ausschlaggebend für die Überschreitung des geplanten Gesamtbedarfs. Auch der Verbrauch der Lüftungsanlage übersteigt die geplanten Werte. Weil sowohl Lüftung als auch Beleuchtung strombetrieben sind, wirkt sich das – mit dem Faktor 2,6 bewertet – noch deutlicher in der Primärenergiebilanz aus: Der Messwert für 2015 unterschreitet mit insgesamt 44,8 kWh/m2a die bei der Planung gültigen EnEV-Anforderungen um 65 %, liegt aber etwa 72 % über dem nach DIN V 18599 errechneten Bedarf aus der Planung. Bei der Lüftungsanlage stimmen Mess- und Planungswerte zwischen Oktober und März weitestgehend überein, den Rest des Jahres verbraucht sie allerdings deutlich mehr als berechnet. Grund dafür ist, dass die Nutzer die in der Planung vorgesehene Fensterlüftung nicht zielgerichtet genutzt haben und der Betreiber sich daher für den durchgängigen Betrieb der maschinellen Lüftungsanlage entschieden hat. In der Jahressumme verdoppelt das den Verbrauch nahezu. In der Energiebilanz hochgedämmter Gebäude rückt insbesondere bei Büros die Beleuchtung in den Vordergrund. Hauptverantwortlich für den hohen Stromverbrauch im Z3 sind die Stehleuchten an den Arbeitsplätzen. Sobald eine dieser Leuchten mit Strom versorgt wird, also wenn ein Büro besetzt ist, verursacht sie eine Grundlast von ca. 30 W. Die Leuchten lassen sich nicht genau auf einen gewünschten Beleuchtungswert einstellen, was dazu führt, dass der Nutzer oft den voreingestellten, maximalen Wert beibehält. Das Nachregulieren, Abkleben der Sensoren oder der Anschluss an eine nicht präsenzgesteuerte Steckdose haben den Energieverbrauch zum Teil deutlich erhöht. Eine spürbare Energieeinsparung brächte die Optimierung der Sonnenschutzsteuerung bzw. der Sonnenschutzvorrichtung selbst. Denn der äußerst geringe Tageslichtanteil bei heruntergefahrener Jalousie führt dazu, dass die dimmbare Beleuchtungsanlage den Kunstlichtanteil erhöht. Er wirkt sich auch auf die Betriebsdauer der Beleuchtung der innenliegenden Verkehrsflächen aus. Diese sollten gemäß Planung durch die Glastrennwände aus den Büros mit Tageslicht versorgt werden. Beim Monitoring fiel auf, dass in einem Geschoss bei der Beleuchtung eine dauerhafte Grundlast auftrat, was aufgrund der Präsenzsteuerung nicht der Fall sein sollte. Diese machte 2014 fast die Hälfte des Beleuchtungsstromverbrauchs auf der Etage aus. Ursache sind Probleme in der Bus-Kommunikation der Beleuchtungssteuerung, an deren Lösung noch gearbeitet wird. Neue Bauelemente im Test Im Forschungsprojekt ging es den Bauherren und den Wissenschaftlern auch darum, Erfahrungen mit innovativen Komponenten zu sammeln. An Musterräumen wurden deshalb alternative Verschattungssysteme getestet. Doch weder beschichtete Lamellen noch feststehende Lamellen mit PV-Auflage schlugen sich besser als das herkömmliche System. Auch die Idee, über Glasfasern Tageslicht vom Dach aus in die Innenflure zu leiten, erwies sich über längere Distanzen als problematisch. Mit Ausnahme der beschichteten Lamellen werden die getesteten Komponenten von den Herstellern nicht weiterentwickelt. BINE Projektinfo 01/2010 BINE-Projektinfo 06/2017 Energie sparen in Rechenzentren Rechenzentren zählen in der Informations- und Kommunikationstechnik zu den größten Stromfressern. Zudem wächst ihre Anzahl und Ausstattung stetig. Gemäß einer Untersuchung des Borderstep-Instituts verbrauchten Rechenzentren im Jahr 2015 mit 12 Mrd. kWh zwei Prozent des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland. Daher suchen verschiedene Forschungsprojekte nach Wegen, um die Energieeffizienz neuer und bestehender Rechenzentren zu steigern. In dem Ende 2016 abgeschlossenen, von der EU geförderten Projekt RenewIT untersuchten Wissenschaftler aus fünf Ländern, wie sich Rechenzentren fast vollständig mit erneuerbarer Energie versorgen lassen. Voraussetzung dafür ist ein vorab deutlich gesenkter Energieverbrauch durch eine optimale Gebäudegestaltung, IT Management, verlustarme Stromverteilung, Optimierung der Kälteerzeugung und den Einsatz von Wärme­rückgewinnung. Auf Basis der Ergebnisse wurde unter anderem die Online-Software RenewIT-Tool entwickelt. Dort kann man die wichtigsten Parameter eines Rechenzentrums eingeben und damit schnell und einfach untersuchen, wie sich verschiedene Maßnahmen und Konzepte auf dessen Gesamtenergieverbrauch auswirken würden. Ein neu entwickeltes Monitoring-Tool unterstützt Betreiber, die Performance des Rechenzentrums und den Betrieb der Strom- und Kälteversorgung zu überwachen. Energie und Rohstoffe in Rechenzentren effizienter zu nutzen – dieses Ziel verfolgt das Projekt TEMPRO (Total Energy Management for Professional Data Centers), das kürzlich unter Federführung der Universität Oldenburg startete. Beteiligt sind Partner aus Forschung, Industrie und kommunaler Verwaltung. Statt wie bisher üblich nur den laufenden Betrieb eines Rechenzentrums zu analysieren, verfolgt das TEMPRO-Team einen ganzheitlichen Ansatz: Es nimmt den gesamten Lebenszyklus der Geräte unter die Lupe – vom Rohstoffgewinn bis zum Recycling. Das soll zusätzliche Einsparmöglichkeiten offenbaren. Innerhalb des Technologieprogramms IT2Green förderte das BMWi bereits von 2011 bis 2014 im Themenkomplex „Rechenzentren und Clouds“ Forschungsarbeiten dazu, wie das Datenmanagement und eine intelligente Verteilung von Informationslasten die Energieeffizienz von Rechenzentren steigern kann. Impressum Projektorganisation Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) 11019 Berlin Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Eerke Bunte 52425 Jülich Förderkennzeichen 03ET1035F,G ISSN 0937-8367 Herausgeber FIZ Karlsruhe · Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen Autorin Dorothee Gintars Urheberrecht Titelbild: Ed. Züblin AG/Tom Philippi Abb. 1: nach Ed. Züblin AG/Klett Ingenieur GmbH Abb. 2: zafh.net/MHM Ziviltechniker GmbH Abb. 3 und 4: zafh.net Eine Verwendung von Text und Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion gestattet. Sprechen Sie uns an. Projektbeteiligte >> Projektleitung Bau: Ed. Züblin AG, Stuttgart, Markus Genswein, [email protected]; Dr. Jörg Arold, [email protected], www.zueblin.de >> Projektleitung Monitoring: Hochschule für Technik Stuttgart, Forschungszentrum Nachhaltige Energietechnik (zafh.net), Prof. Dr. Ursula Eicker, Andreas Biesinger, [email protected], www.hft-stuttgart.de/Forschung/Kompetenzen/zafh >> Nutzerbefragung: Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Stuttgart, Dr. Andreas Liebl, www.ibp.fraunhofer.de/de/Kompetenzen/akustik/psychoakustik.html >> Energetische Bewertung der Kälteversorgung: Hochschule Biberach (HBC), Institut für Gebäude- und Energiesysteme, Prof. Dr. Roland Koenigsdorff, www.hochschule-biberach.de/web/ige Links und Literatur >> www.projektinfos.energiewendebauen.de >> www.renewit-project.eu >> www.tempro.uni-oldenburg.de >> www.green-it-wegweiser.de >> Genswein, M.; Arold, J.; Biesinger, A. , Trinkle, A. u. a. : Ressourceneffizientes Gebäude für die Welt von Übermorgen. Forschungsprojekt REG II. Projektbericht. Teil 1 und Teil 2. FKZ 03ET1035F; 03ET1035G. Ed. Züblin AG, Stuttgart (Hrsg.). Hochschule für Technik, Stuttgart (HFT). Forschungszentrum Nachhaltige Energietechnik (zafh.net) (Hrsg.). 2016. 382 S. Mehr vom BINE Informationsdienst >> Wagner, A. u.a.: Nutzerzufriedenheit in Bürogebäuden. FIZ Karlsruhe. BINE Informationsdienst, Bonn (Hrsg.). Stuttgart: Fraunhofer IRB Verl., 2015. 224 S., ISBN 978-3-8167-9305-2 >> Voss, K.: Performance von Gebäuden. FIZ Karlsruhe. BINE Informationsdienst, Bonn (Hrsg.). Stuttgart: Fraunhofer IRB Verl., 2016. 323 S., ISBN 978-3-8167-9583-4 >> Dieses Projektinfo gibt es auch online und in englischer Sprache unter www.bine.info/Projektinfo_06_2017 BINE Informationsdienst berichtet aus Projekten der Energieforschung in seinen Broschürenreihen und dem Newsletter. Diese erhalten Sie im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo Kontakt · Info Fragen zu diesem Projekt­info? Wir helfen Ihnen weiter: 0228 92379-44 [email protected] BINE Informationsdienst Energieforschung für die Praxis Ein Service von FIZ Karlsruhe Kaiserstraße 185-197 53113 Bonn www.bine.info Konzept und Gestaltung: iserundschmidt GmbH, Bonn – Berlin · Layout: KERSTIN CONRADI Mediengestaltung, Berlin 4
